PHẦN MỞ ĐẦU
Giới thiệu về Công trình biển cố định ở Việt Nam
Công trình biển cố định là những cấu trúc được xây dựng trên biển hoặc ngoài hải đảo, được gắn chặt với nền đất và không thể di chuyển trong suốt thời gian sử dụng Những công trình này có những chức năng chính quan trọng, phục vụ cho các hoạt động trên biển.
Phục vụ thăm dò, khai thác và vận chuyển dầu khí vào bờ: (giàn khoan biển);
Phục vụ cho nhu cầu đi lại, ăn ở ngoài biển và các hoạt động khác như: khai thác tài nguyên, du lịch, nghiên cứu khoa học;
Phục vụ cho các hoạt động trên biển như:
- Các cảng bờ, xa bờ;
- Công trình bảo đảm Hàng hải;
- Trạm trục vớt cứu hộ;
- Kỹ thuật công trình biển: (Offshore engineering)
1.1.2 Phân loại Công trình biển
1.1.2.1 Phân loại theo vị trí công trình biển so với bờ
Công trình biển ven bờ;
Công trình biển ngoài khơi;
Công trình biển ngoài hải đảo
1.1.2.2 Phân loại theo mục đích sử dụng của công trình
Giàn khoan biển: Công trình biển ngoài khơi cố định dùng khai thác dầu khí (giàn khoan biển)
Công trình bảo đảm hàng hải: hải đăng…
Trạm nghiên cứu: trạm khí tượng, thủy hải văn
Chia công trình biển cố định thành 3 loại:
Công trình biển cố đinh bằng thép
Công trình biển cố định bằng bê tông
1.1.3 Quá trình phát triển của các công trình biển cố định Ở nước ta, diện tích biển lớn gấp 3 lần diện tích đất liền Do đó, việc thăm dò và khai thác tài nguyên thiên nhiên biển là việc làm cấp thiết hiện nạy, để góp phần vào công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước
Ngành công nghiệp dầu khí và xây dựng công trình biển tại Việt Nam vẫn còn đang trong giai đoạn phát triển Hiện tại, tất cả các công trình biển được xây dựng tại nước ta đều sử dụng vật liệu thép Các dự án công trình biển hiện có và đang được triển khai đang góp phần quan trọng vào sự phát triển của ngành này.
- 13 giàn khoan cố định loại lớn dạng MSP
- 2 giàn công nghệ trung tâm CTP2 và CTP3
- 9 giàn khoan loại nhẹ dạng BK
- 1 giàn khí nén nhỏ MSK
- Hệ thống đường ống nội mỏ và hệ thống đường ống dẫn vào bờ
- 22 công trình DK phục vụ cho Quốc phòng
- 4 trạm rót dầu không bến (UBN)
- Giàn Ruby đã được đưa vào khai thác
1.2 Đặc điểm của các loại công trình biển cố định
1.2.1 Đặc điểm môi trường biển
Môi trường biển có tính khắc nghiệt với sự thay đổi liên tục, gây ra biến động lớn và tính ngẫu nhiên cao Nước biển có khả năng ăn mòn mạnh mẽ các công trình, ảnh hưởng đáng kể đến độ bền và tuổi thọ của chúng.
Trong môi trường nước biển, các sinh vật biển bám vào công trình có thể làm tăng khối lượng và kích thước cấu kiện, từ đó gia tăng tải trọng tác động lên công trình Vì vậy, việc xây dựng giàn khoan biển yêu cầu đầu tư trang thiết bị đầy đủ và đội ngũ kỹ sư, công nhân có trình độ chuyên môn cao cùng tay nghề vững chắc.
1.2.2 Công trình biển cố định bằng thép
Hiện nay, loại công trình biển bằng thép được xây dựng rất phổ biến nhất trên thế giới và cả ở Việt Nam Cấu tạo thông thường gồm các phần:
Phần chân đế: Chân đế của công trình có cấu tạo dạng khung không gian, các phần tử được chế tạo từ các đoạn thép ống
Phần đế móng là yếu tố quan trọng trong xây dựng, bao gồm các loại móng cọc được đóng sâu vào lòng đất Những cọc này giúp giữ ổn định cho công trình trong suốt thời gian hoạt động, đảm bảo độ bền và an toàn cho toàn bộ công trình.
Khối thượng tầng: Bao gồm các Block công nghệ, Block sân bay và Block nhà ở
- Công trình có độ bền cơ học cao
- Chế tạo tương đối dễ nhưng yêu cầu kỹ thuật cao
- Là loại công trình mang tính truyền thống nên đội ngũ cán bộ kỹ thuật và công nhân có bề dày kinh nghiệm
- Vật liệu kim loại bị ăn mòn nhanh trong môi trường nước biển
Vật liệu chế tạo công trình chủ yếu là thép cường độ cao, thường phải nhập khẩu từ nước ngoài, dẫn đến giá thành cao và sự phụ thuộc vào nguồn cung bên ngoài, đồng thời không tận dụng được các vật liệu có sẵn trong nước.
- Chi phí duy tu bảo dưỡng và sửa chữa rất lớn
1.2.3 Công trình biển trọng lực bê tông cốt thép Đây là loại công trình có tiềm năng phát triển mạnh, thích hợp với vùng nước sâu và sẽ tiết kiệm hơn nhiều so với công trình biển bằng thép nếu xây dựng hàng loạt (do kinh phí xây dựng dan khoan thép trên bờ ban đầu rất lớn)
Những đặc điểm của công trình biển bê tông cốt thép:
- Giữ cố định bằng trọng lực bản thân của nó theo nguyên lý móng nông
- Tuổi thọ công trình cao
- Tận dụng được nguyên vật liệu địa phương, tiết kiệm thép đặc chủng
- Khả năng chống ăn mòn của môi trường biển cao
- Chi phí duy tu bảo dưỡng ít
- Tận dụng được các khoang (xilô) của công trình làm bể chứa
- Khả năng chịu lực tốt, dao động ít, khả năng xuất hiện mái ít
Thời gian thi công trên biển thường kéo dài, đặc biệt là tại khu vực gần bờ Tuy nhiên, ở vị trí xây dựng công trình ngoài khơi, thời gian thi công lại ngắn hơn so với các công trình bằng thép Điều này là do quy trình chế tạo không yêu cầu độ chính xác cao, giúp tận dụng hiệu quả nguồn nhân lực địa phương.
Khối lượng công trình lớn, chủ yếu được thi công tại các khu vực gần bê tông như ụ khô hoặc ụ nổi, yêu cầu vị trí thi công thuận lợi và cần thiết bị, phương tiện vận chuyển chuyên dụng.
- Giá thành cao hơn công trình biển bằng thép đối với những công trình ở vùng nước nông và xây dựng đơn chiếc
1.2.4 Công trình biển hỗn hợp
Công trình biển này kết hợp giữa bê tông cốt thép và kết cấu thép, mang lại những ưu điểm vượt trội từ cả hai loại vật liệu.
Các dạng kết cấu khối chân đế cơ bản của công trình biển thép thường áp dụng ở Việt
Phân loại theo hình dạng chân: Có 4 dạng kết cấu khối chân đế cơ bản:
Phân loại theo kết cấu cọc:
- Kết cấu cọc lồng trong ống chính
Một số ví dụ về các dạng kết cấu khối chân đế của công trình biển thép ở Việt Nam:
Hình 1.1: Kết cấu 3 chân (Giàn Topaz-A)
Hình 1.2: Kết cấu 4 chân (Giàn Rạng Đông WHP-C1)
Hình 1.3: Kết cấu cọc lồng trong ống chính (Giàn Topaz-A)
Hình 1.4: Kết cấu cọc váy (Giàn Đại Hùng
Đặt vấn đề
3.1 Lí do chọn đề tài
Việc xây dựng và phân tích lựa chọn phương án kết cấu là bước quan trọng trong thiết kế công trình biển cố định bằng thép, ảnh hưởng đến tính an toàn và hiệu quả khai thác Tuy nhiên, trong nhiều dự án tại Việt Nam, phương án kết cấu thường được chọn dựa trên kinh nghiệm mà không có sự đối chứng so sánh, dẫn đến chi phí cao và hiệu suất sử dụng vật liệu chưa tối ưu.
Nhóm nghiên cứu đề xuất phân tích ảnh hưởng của kết cấu mặt panel đến độ bền cực hạn của giàn đầu giếng tại vùng biển Việt Nam Mục tiêu là làm rõ vai trò của cấu tạo thanh nhánh trong việc tăng cường độ cứng của khối chân đế và khả năng phân phối lực đến các cấu trúc chính Chỉ tiêu hệ số cường độ dự trữ (RSR) sẽ được sử dụng để đánh giá, trong đó, thiết kế có hệ số RSR cao cho thấy mức sử dụng vật liệu trong cấu trúc thấp.
Khi kết cấu hoạt động ngoài miền đàn hồi, nó sẽ phân phối lại nội lực và đánh giá thông qua tải trọng cực hạn Điều này giúp tận dụng tối đa khả năng làm việc, đồng thời phân phối và truyền lực một cách hợp lý cho toàn bộ kết cấu, đảm bảo rằng kết cấu sẽ phá hủy đồng thời.
3.2 Cơ sở cho phép đánh giá kết cấu theo độ bền cực hạn
Với sự tiến bộ trong các phương pháp tính toán và nhu cầu thực tiễn, việc đánh giá an toàn cho kết cấu công trình biển cố định bằng thép ngày càng được hoàn thiện từ thiết kế đến khai thác và sau khai thác Theo các tiêu chuẩn quy phạm như DnV, API, và ISO, kết cấu được đánh giá dựa trên các trạng thái giới hạn cơ bản.
Trạng thái giới hạn cực hạn (ULS)
Trạng thái giới hạn mói (FLS)
Trạng thái giới hạn sử dụng (SLS)
Trạng thái giới hạn phá hủy lũy tiến (PLS) và trạng thái giới hạn sự cố (ALS)
Trên cơ sở các trạng thái giới hạn đó, tiêu chuẩn API đưa ra ba phương pháp chính để đánh giá an toàn kết cấu:
Kiểm tra theo mức độ thiết kế: Tính toán kiểm tra kết cấu theo trạng thái giới hạn bền, mỏi tương ứng với tải trọng thiết kế qui định
Phân tích độ bền cực hạn của kết cấu là quá trình tính toán và kiểm tra khả năng chịu đựng của kết cấu khi phải chịu tải trọng vượt mức thiết kế hoặc trong các tình huống khẩn cấp như cháy nổ, va chạm tàu, hoặc vật rơi Điều này nhằm đánh giá khả năng chống chịu của kết cấu trong trạng thái phá hủy lũy tiến.
Như vậy, rõ ràng đánh giá độ bền cực hạn là một nội dung trong các tiêu chuẩn quy phạm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỰC HẠN CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP
Độ bền cực hạn
1.1 Khái niệm Độ bền cực hạn của kết cấu có thể hiểu là khả năng chịu tải tổng thể của kết cấu khi cho phép xảy ra một số hư hỏng ở một số phần tử kết cấu do mất ổn định hoặc chảy dẻo và vật liệu làm việc trong giai đoạn ngoài giới hạn đàn hồi Độ bền cực hạn của kết cấu có thể xác định thông qua giá trị tải trọng cực đại mà kết cấu có thể chịu mà không bị sụp đổ
1.2 Công thức xác định độ bền cực hạn theo điều kiện tổng thể Độ bền cực hạn của kết cấu có thể xác định theo công thức NDP 1990:
- R là độ bền cực hạn của giàn bao gồm độ bền cực hạn của kết cấu thân giàn R s và độ bền cực hạn của nền móng R F ;
- F s và F F là các hệ số an toàn tương ứng;
- D là tổng các tải trọng tĩnh;
- E là tổng tải trọng môi trường chu kỳ lặp 100 năm;
- F D , F E là các hệ số tải trọng tương ứng
Tổng tải trọng tĩnh thường được coi là không đổi trong quá trình khai thác Để đánh giá khả năng chịu tác động của tải trọng môi trường lên kết cấu, độ bền cực hạn của kết cấu có thể được xác định thông qua tải trọng môi trường gây ra phá hủy, E T, tương ứng với chiều cao sóng có chu kỳ lặp T xác định.
RSR, hay hệ số cường độ dự trữ, là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá độ bền cực hạn của giàn chịu tải trọng môi trường, theo các tiêu chuẩn hiện hành.
Nếu RSR = 1, kết cấu sẽ bị phá hủy dưới tải trọng môi trường thiết kế Trong cùng điều kiện xây dựng, phương án thiết kế có hệ số RSR lớn hơn và tốn ít vật liệu, đồng thời vẫn đảm bảo điều kiện bền trong miền đàn hồi, được xem là có đường truyền lực hợp lý và hiệu quả hơn so với các phương án khác.
Các vấn đề kể đến khi đánh giá độ bền cực hạn
2.1 Biến dạng lớn theo Green
Kết cấu làm việc thường được xem xét trong trạng thái đàn hồi tuyến tính, với giả thiết biến dạng nhỏ và công thức Cauchy xác định mối quan hệ giữa biến dạng và chuyển vị Trong trường hợp này, tải trọng được coi là không thay đổi vị trí khi tác động lên kết cấu Tuy nhiên, khi làm việc ngoài miền đàn hồi, một số phần tử có thể chảy dẻo và một số điểm có thể có chuyển vị lớn, dẫn đến việc tải trọng không còn ở vị trí cũ và gây ra sự thay đổi nội lực so với trạng thái ban đầu Một số phần tử có thể mất ổn định, và khi phân tích biến dạng lớn, mối quan hệ giữa biến dạng và chuyển vị dọc trục tuân theo công thức Green.
Với kết cấu dạng thanh (minh họa ở Hình 2.1) bỏ qua các thành phần bậc cao, biến dạng dọc trục của thanh ε xx được biểu diễn theo công thức:
Trong đó: u,v,w là các hàm chuyển vị của điểm trên thanh theo phương x,y và z
Hình 2.1: Qui ước hệ tọa độ và các chuyển vị của phần tử thanh
Khi kể đển ảnh hưởng của uốn dọc, phương trình đường đàn hồi của kết cấu theo phương y và z được viết như sau:
- q y , q z là các tải trọng phân bố theo phương y và phương z;
N là lực dọc trục tác động lên phần tử, trong khi I y và I z là các mô men quán tính của tiết diện quanh trục y và trục z Để đánh giá ảnh hưởng của khả năng mất ổn định, phương trình đường đàn hồi được thiết lập dựa trên việc xác định xem phần tử là thanh chịu kéo hay chịu nén.
Hàm f(qy) và f(qz) đại diện cho tính chất phân bố của qy và qz Các hệ số av, bv, cv, dv, aw, bw, cw, dw được xác định dựa trên điều kiện biên tại hai đầu 1 và 2 của phần tử theo phương y và z tương ứng.
Sử dụng các phương trình (2.5) và (2.6) để giải quyết phương trình (2.4), từ đó suy ra phương trình đường đàn hồi của phần tử cùng với các thành phần nội lực Chi tiết về giải pháp theo phương pháp số được trình bày trong Mục 2.3 - Chương 2.
2.2 Mô hình vật liệu dẻo
Vật liệu phi tuyến xuất hiện khi hình thành các khớp dẻo, có thể được đặt ở hai đầu hoặc giữa phần tử thanh Khi khớp dẻo nằm giữa, phần tử thanh sẽ được chia thành hai phần nhỏ, và nút sẽ được tự động thêm vào để đảm bảo trạng thái cân bằng tĩnh học trước khi đưa vào ma trận độ cứng tổng thể Điều kiện chảy của kết cấu thanh có thể được phân tích qua nhiều lý thuyết khác nhau; tuy nhiên, bài viết này tập trung vào điều kiện này thông qua sự tương tác dẻo giữa ứng suất tác dụng và ứng suất giới hạn chảy dẻo, được mô tả bởi phương trình tổng quát.
P yP zP xP yP zP
- N, Q y , Q z , M x , M y , M z tương ứng là các thành phần lực dọc, lực cắt và mô men uốn tại tiết diện xét
N P, Q yP, Q zP, M xP, M yP, M zP là các thành phần nội lực giới hạn chảy dẻo toàn phần của tiết diện Mô hình dẻo được áp dụng cho kết cấu ống với đường kính trong d và đường kính ngoài D.
Phương trình mặt chảy tương ứng điều kiện chảy dẻo ban đầu:
Phương trình mặt chảy tương ứng mô hình dẻo lý tưởng:
Phương trình mặt chảy tương ứng mô hình đàn dẻo kể đến biến dạng tái bền:
- ε max là biến dạng tương ứng với giới hạn bền của vật liệu
- y là giới hạn chảy của vật liệu
- Ống có đường kính ngoài D, đường kính trong d
Trong báo cáo này, mô hình dẻo lý tưởng được áp dụng cho kết cấu thanh ống của các giàn đầu giếng, như minh họa trong hình 2.2, cho thấy mặt chảy hai chiều trên tiết diện thanh.
2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn phân tích phi tuyến kết cấu thanh
Phương pháp phần tử hữu hạn viết cho một phần tử thanh
Khi chưa xét đến khả năng chảy dẻo của phần tử, phương trình cân bằng phần tử kết cấu tương ứng với một số gia véc tơ lực:
- U là véc tơ chuyển vị nút, gồm các thành phần chuyển vị ngang và góc xoay:
Để xây dựng các hàm hình dạng và xác định các số hạng của ma trận độ cứng [K e], cần tham khảo các phương trình đường đàn hồi theo (2.5) và (2.6) Để biết thêm chi tiết, vui lòng xem tài liệu [6].
Các số hạng trong phương trình (2.11) và phương pháp giải được trình bày chi tiết trong tài liệu [7]
- R là số gia véc tơ lực nút ; Q là số gia véc tơ tải trọng tương ứng với tải trọng phân bố trên phần tử;
Khi xét đến tính chất dẻo của vật liệu ma trận độ cứng thay đổi theo hàm chuyển vị và được thiết lập như sau: Đặt:
Với K p là ma trận độ cứng đàn dẻo của kết cấu;
Chuyển đổi hệ tọa độ nút:
Sau khi hoàn thành việc tính toán ma trận độ cứng cho từng phần tử thanh, bước tiếp theo là xác định ma trận độ cứng tổng thể của kết cấu Để thực hiện điều này, cần chuyển đổi từ hệ tọa độ nút sang hệ tọa độ tổng thể Mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ này được thể hiện thông qua ma trận chuyển T.
Do sự chuyển vị lớn, sau mỗi bước, ma trận chuyển đổi giữa hệ tọa độ địa phương và hệ tọa độ tổng thể cần được xác định lại Điều này dẫn đến việc ghép ma trận độ cứng của phân tử vào ma trận độ cứng tổng thể của kết cấu.
Phương pháp giải phân tích lặp theo từng bước và giảm sai số:
Có nhiều phương pháp để giải bài toán này tuy nhiên dưới đây trình bày phương pháp giải theo Euler-Cauchy (Hình 2.3)
- Giả thiết tại bước phân tích thứ i, phương trình cân bằng kết cấu được viết:
- Tổng tải trọng và tổng chuyển vị tại bước i:
- Gọi tổng nội lực tại bước i-1 là S eq i 1 , sai số giữa tổng ngoại lực và tổng nội lực tại bước i-1 là S i 1 S eq i 1
Hình 2.3: Minh họa phương pháp Euler-Cauchy
Hình 2.4: Hiệu chỉnh sai số giữa tải trọng và nội lực tại bước thứ i
- Bổ sung sai số về lực tại bước thứ i-1 vào bước thứ i, ta có:
2.4 Quy trình của phương pháp Push-over
Phương pháp Push-over là kỹ thuật phân tích độ bền cực hạn, dựa trên lý thuyết phân tích tĩnh kết cấu phi tuyến Phương pháp này giúp đánh giá khả năng chịu lực của công trình dưới tác động của tải trọng.
Khi tải trọng tăng dần, độ cứng tổng thể của kết cấu sẽ phân phối lại Nếu vật liệu hoạt động ngoài giai đoạn đàn hồi, kết cấu có thể xảy ra chuyển vị lớn, dẫn đến mất ổn định ở các phần tử hoặc xuất hiện khớp dẻo Bài viết này trình bày quy trình của phương pháp Push-over, phù hợp với lý thuyết nêu trên, được thực hiện thông qua phần mềm USFOS của DnV.
Quy trình Push-over sử dụng phần mềm USFOS gồm các bước:
Kết cấu giàn đầu giếng chịu tải trọng chính gồm tĩnh tải và tải trọng môi trường: sóng, dòng chảy và gió
Tăng hệ số của tĩnh tải từ 0 1 (ở đây tĩnh tải đã kể đến hệ số vượt tải)
Tiếp tục tăng tải trọng môi trường từ 0 giá trị làm kết cấu giàn phá hủy
Hình 2.5: Minh họa phương pháp Push-over
Hệ số RSR được tính theo công thức:
Các nguyên tắc thiết kế mặt panel của khối chân đế giàn đầu giếng
Các nguyên tắc thiết kế mặt panel của khối chân đế được khuyến cáo ở một số tiêu chuẩn như API, DnV… bao gồm những nguyên tắc chung như sau:
Đảm bảo cấu tạo miếng cứng
Đảm bảo tính phân phối lực đều, đảm bảo khả năng chịu lực
Đảm bảo thi công đơn giản
Theo API, cấu trúc khung phụ cần được thiết kế để đảm bảo việc nhận và truyền lực đồng đều cho kết cấu chính Một số kiểu cấu trúc khung được khuyến nghị sử dụng (Hình 2.7) trong khi một số khác không nên áp dụng (Hình 2.6).
Hình 2.6: Cấu hình không đáp ứng các nguyên tắc
1 Giằng chéo theo một hướng duy nhất giữa các khung ngang
2 Giằng chéo theo một hướng duy nhất trong dọc chạy giữa các trụ/gối đỡ
3 Cấu kiện ngang bị gián đoạn/khuyết tại cao độ khung thẳng đứng
4 Giằng dạng K không được chấp nhận
Hình 2.7: Cấu hình khung thẳng đứng thỏa mãn các nguyên tắc.
PHÂN TÍCH, XÂY DỰNG VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA DẠNG KẾT CẤU MẶT PANEL ĐẾN ĐỘ BỀN THÔNG QUA PHÂN TÍCH ĐỘ BỀN CỰC HẠN CỦA GIÀN THÁI BÌNH VÀ GIÀN JVPC-WHP C1
Giàn Thái Bình (3 chân)
1.1 Sơ đồ kết cấu các mô hình giàn Thái Bình khi xây dựng ban đầu và sau khi thay đổi phương án mặt panel:
Hình 3.1: Phương án thiết kế ban đầu
Mô hình và dạng mặt panel
Chi tiết xem tài liệu
Hình 3.2: Phương án thay đổi 1
Hình 3.3: Phương án thay đổi 2
Hình 3.4: Phương án thay đổi 3
Hình 3.5: Phương án thay đổi 4
1.2 Kết quả đánh giá độ bền cực hạn thông qua hệ số RSR
Bảng 3.1: Bảng so sánh hệ số RSR theo các hướng sóng của từng phương án
Hình 3.6: Đồ thị so sánh hệ số RSR của từng phương án
Trong quá trình thiết kế lại mặt panel, phương án 1, 2 và 3 đều tiêu tốn ít vật liệu hơn so với phương án ban đầu (phương án 0) Tuy nhiên, theo kết quả đánh giá độ bền cực hạn RSR, chỉ có phương án 3 có hệ số RSR nhỏ hơn phương án gốc ở một số hướng sóng.
Phương án 2 là lựa chọn tối ưu với việc sử dụng ít vật liệu nhất nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả truyền lực tốt nhất, đạt được hệ số RSR cao nhất trong tất cả các phương án Trung bình, hệ số RSR của phương án này cao hơn khoảng 5.53% so với các phương án khác.
Hệ số RSR của các phương án
Đề xuất xây dựng công trình dựa trên phương án ban đầu nhằm tận dụng vật liệu và thay đổi mặt panel, đồng thời giảm tiết diện ống chính.
Phương án 4 sử dụng mặt panel dạng chữ X, thường được coi là hiệu quả nhất, nhưng sau khi phân tích độ bền cực hạn, nhận thấy rằng phương án này tiêu tốn nhiều vật liệu hơn Hệ số RSR của phương án 4 không cao bằng các phương án 1, 2 và phương án ban đầu.
1.4 Kiểm tra lại điều kiện bền trong miền đàn hồi Ở đây nhóm đề tài chỉ kiểm tra so sánh đối chiếu điều kiện bền theo mức độ thiết kế ở các tổ hợp cơ bản đối với hai phương án đó là phương án thiết kế ban đầu và phương án đề xuất xây dựng (phương án 2) ở các vị trí nguy hiểm nhất trên kết cấu (thanh 9002-
0003, 9003-0001, 9001-0002 – các thanh nằm ở chân công trình)
Hình 3.7: UC max ở các phần tử cọc phương án ban đầu hướng sóng 0 o Hình 3.8: UC max ở các phần tử cọc phương án hai hướng sóng 0 o
Bảng 3.2: UC max ở các thanh với các tổ hợp tải trọng cơ bản a) Phương án thiết kế ban dầu
Thanh CB1 CB2 CB3 CB4 CB5 CB6 CB7 CB8
Thanh CB1 CB2 CB3 CB4 CB5 CB6 CB7 CB8
- CB n : n=(1;2;…8) các tổ hợp cơ bản của tải trọng tĩnh với tải tọng môi trường theo các hướng sóng
Phương án thiết kế ban đầu và phương án thay đổi mặt panel 2 đều có UC max < 1 đảm bảo bền trong giới hạn miền đàn hồi
Sau khi thay đổi dạng panel, giá trị UC lớn nhất của các thanh ở từng tổ hợp cơ bản đã giảm so với phương án ban đầu, điều này cho thấy kết cấu hiện tại bền hơn so với phương án trước đó.
Phương án 2 cho thấy giá trị UC của các thanh chênh lệch ít hơn so với phương án ban đầu, với giá trị lớn nhất giảm xuống và các giá trị UC nhỏ hơn tăng lên Điều này chứng tỏ rằng việc thay đổi mặt panel đã tạo ra đường truyền lực và phân phối lực hợp lý hơn, giúp vật liệu tận dụng được khả năng làm việc hiệu quả hơn.
Rõ ràng nên sử dụng phương án 2 để xây dựng, tiết kiệm vật liệu và hiệu quả hơn phương án thiết kế ban đầu.
Giàn JVPC-C1 (4 chân)
2.1 Sơ đồ kết cấu trước thay đổi và sau khi thay đổi mặt panel
Hình 3.9: Phương án thiết kế ban đầu
Chi tiết xem tài liệu
Hình 3.10: Phương án thay đổi 1
Hình 3.11: Phương án thay đổi 2
Hình 3.12: Phương án thay đổi 3
Hình 3.13: Phương án thay đổi 4
Hình 3.14: Phương án thay đổi 5
2.2 Kết quả đánh giá độ bền cực hạn thông qua hệ số RSR
Bảng 3.3: Bảng so sánh hệ số RSR theo các hướng sóng của từng phương án
Hình 3.15: So sánh hệ số RSR các phương án thay đổi mặt panel
Phương án thiết kế ban đầu nổi bật với đường truyền lực hợp lý và tiết kiệm vật liệu tối ưu Đây là lựa chọn hiệu quả về kinh tế, đồng thời đảm bảo điều kiện truyền lực tốt nhất Các phương án khác có hệ số RSR thay đổi tùy theo hướng sóng, nhưng không đạt được sự cân bằng như phương án thiết kế ban đầu.
Phương án 2 và phương án 3 truyền lực bất hợp lí nhất
Hệ số RSR của các phương án
Phương án 5 có hệ số RSR cao hơn so với phương án thiết kế ban đầu, tuy nhiên lại tiêu tốn nhiều vật liệu hơn Do đó, đề xuất sử dụng phương án này cần được so sánh và kiểm tra điều kiện bền trong miền đàn hồi với phương án thiết kế ban đầu để đảm bảo hiệu quả và tính khả thi.
Phương án 4 yêu cầu nhiều vật liệu hơn, tuy nhiên chỉ có một số hướng sóng đạt hệ số RSR cao hơn phương án ban đầu, trong khi một số hướng khác lại có hệ số RSR thấp hơn So với các phương án khác, điều này cần được xem xét kỹ lưỡng.
5 hệ số RSR của phương án 4 nhỏ hơn
2.4 Kiểm tra lại điều kiện bền trong miền đàn hồi
Kiểm tra và so sánh điều kiện bền của các tổ hợp cơ bản giữa phương án thiết kế ban đầu và phương án đề xuất xây dựng (phương án 5) là cần thiết, đặc biệt tại các vị trí nguy hiểm nhất trên kết cấu, như các thanh 101P-0102, 199P-0100, 199P-0103 và 181P-0101, nơi các thanh đầu cọc nằm ở chân công trình.
Hình 3.16: UC max ở các phần tử cọc phương án ban đầu hướng sóng 0 o Hình 3.17: UC max ở các phần tử cọc phương án hai hướng sóng 0 o
Bảng 3.4: UC max ở các thanh với các tổ hợp tải trọng cơ bản a) Phương án thiết kế ban đầu
Thanh CB1 CB2 CB3 CB4 CB5 CB6 CB7 CB8
Thanh CB1 CB2 CB3 CB4 CB5 CB6 CB7 CB8
Khi so sánh kết cấu khối chân đế 3 chân (Giàn Thái Bình), giá trị UC lớn nhất của các thanh ở phương án 0 giảm so với phương án 5, trong khi các giá trị UC nhỏ hơn lại tăng lên Tuy nhiên, sự chênh lệch giữa các giá trị UC của hai phương án không đáng kể.
Khi chịu tải tổ hợp tải trọng cơ bản 7 (CB7) với tải trọng môi trường hướng sóng 9, thanh 101P-0102 không đáp ứng điều kiện bền trong miền đan hồi (UC > 1) ở cả hai phương án Mặc dù đánh giá độ bền cực hạn cấu trúc cho cả hai phương án này vẫn chưa đạt đến mức đổ do RSR > 2 ở hướng sóng 9.
1 Hình dạng mặt panel có ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền cực hạn của kết cấu công trình biển cố định bằng thép Việc đánh giá ảnh hưởng, lựa chọn hình dạng mặt panel không chỉ giúp đưa ra phương án kết cấu hiệu quả, đường truyền lực hợp lí mà còn giúp tiết kiệm vật liệu, giảm chi phí xây dựng
2 Đánh giá độ bền cực hạn xét đến điều kiện bền tổng thể, cho phép tận dụng tối đa khả năng làm việc của toàn bộ kết cấu, đây là một tiêu chí quan trọng và hữu dụng khi cần đánh giá ảnh hưởng của mặt panel đến độ bền kết cấu
3 Theo các tiêu chuẩn quy phạm hiện nay ở Việt Nam cũng như Thế Giới, tất cả các phần tử của kết cấu bắt buộc phải làm việc trong giai đoạn đàn hồi để đảm bảo điều kện bền của kết cấu Nhưng rõ ràng trong kết quả trên chỉ ra rằng phần tử kết cấu vẫn còn có khả năng khai thác thêm khi biến dạng lớn và vật liệu bị chảy dẻo mà chưa phá hủy Kết cấu có thể khai thác thêm do số bậc siêu tĩnh lớn kết cấu đã phân phối lại nội lực khi một số phần tử phá hủy (Xem lại ví dụ kiểm tra điều kiện bền giàn JVPC-C1)
4 Để kết quả đánh giá độ bền cực hạn chính xác, việc đảm bảo thi công xây dựng, xử lý số liệu thiết kế rất quan trọng và cần thiết
5 Dựa vào kết quả phân tích lý thuyết độ bền cực hạn, cùng các ví dụ chi tiết ở trên nhóm đề tài rút ra được kết luận về tính khả thi và hiệu quả của phương án thiết kế dựa trên tiêu chí về chi phí sử dụng vật liệu và độ bền cực hạn của giàn được tổng hợp trong đồ thị sau:
Hình 3.18: Đồ thị thể hiện tính khả thi xây dựng của phương án kết cấu dựa trên độ bền cực hạn
- Có thể dùng đánh giá độ bền cực hạn để đánh giá gia hạn khai thác thêm hoặc nâng cấp các công trình biển cố định bằng thép
- Mở rộng hướng nghiên cứu qua các đề tài khác